壓力過大和遭受創傷的父親可能會在他的孩子身上留下傷疤。新的研究表明，這種情況的發生是因為精子透過一種神秘的細胞間通訊模式“學習”了父親的經歷，在這種模式中，小的泡狀物從一個細胞脫落並與另一個細胞融合。
這些從細胞中彈出的顆粒攜帶蛋白質、脂類和核酸，就像一個郵政系統，延伸到身體的所有部位，釋放出被稱為細胞外囊泡的小包裹。它們的內容似乎經過精心選擇。“囊泡內部的貨物不僅決定了它來自哪裡，還決定了它要去哪裡以及到達那裡後要做什麼，”馬里蘭大學醫學院的神經生物學家特蕾西·貝爾說。
貝爾和其他人在聖地亞哥神經科學學會年會上宣佈的初步研究表明，除了改變精子以擾亂後代的腦部健康外，細胞外囊泡還可以調節大腦回路和幫助診斷神經退行性疾病。
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一個多世紀前，來自農作物歉收和飽受戰爭蹂躪的歐洲的令人震驚的證據表明，惡劣的條件會影響男性的孩子。在那些計劃外的人類實驗中，長期的饑荒似乎引發了後代的一系列健康變化，包括更高的膽固醇水平以及肥胖症和糖尿病發病率的增加。為了在細胞水平上探究這種變化的遺傳，貝爾和同事進行了一系列小鼠實驗。
讓小鼠感到壓力非常容易。將一隻小鼠放入一個它無法掙脫的管子中，浸溼它的墊料或播放白噪聲——應激激素水平會飆升，就像人們擔心財務或面臨持續的工作壓力時一樣。值得注意的是，如果一隻小鼠在受孕前幾個月經歷了壓力期，那麼它的身體對壓力的生理反應看起來明顯不同。貝爾實驗室的博士後克里斯·摩根說，不知何故，“它們的大腦發育方式與它們父親沒有經歷過壓力的情況不同”，他幫助建立了小鼠模型。
最大的問題是關於父系環境的資訊最初是如何到達子宮的。畢竟，摩根說，“父親只在那裡待一晚，也許只有幾個小時。”他的精子會攜帶先前創傷的記憶嗎？這個想法似乎合理但具有爭議性。貝爾實驗室的前博士生詹妮弗·陳說，由於 DNA 在精子細胞的細胞核中緊密地 packed 在一起，“認為[細胞]會對環境中的任何事物做出反應，這真的讓人們感到困惑”，她現在是紐約市西奈山伊坎醫學院的博士後。
相反，一定有某種其他型別的細胞，其 DNA 會對環境變化做出反應——她推斷，這種細胞隨後可以將該資訊傳遞給精子細胞，以便在受精時傳遞。她專注於與發育中的精子相互作用的一群細胞，這些細胞釋放分子以幫助精子生長和成熟。它們還分泌細胞外囊泡——陳表明，正是這些囊泡的內容物與精子細胞融合，從而灌輸了父親先前壓力的記憶。
在一組實驗中，陳對一組雄性小鼠施加壓力，讓它們交配，並觀察幼崽的壓力反應。關鍵是一組體外受精樣實驗，其中她從一隻從未經歷過誘導壓力的雄性小鼠身上收集了精子。他的一半精子進入一個實驗室培養皿中，其中含有先前暴露於應激激素的囊泡。另一半與未接觸應激激素的囊泡一起培養。
陳將來自每個批次的精子細胞注射到來自未受壓雌性的卵子中，然後將受精卵——合子——植入同一個代孕母親體內。來自未受壓合子的幼崽發育正常。然而，來自暴露於壓力的合子的幼崽表現出與那些在交配前經歷過壓力的父親相同的異常壓力反應。陳說，這表明細胞外囊泡充當將父系壓力訊號傳遞給後代的管道。
加州大學聖地亞哥分校的神經科學家羅伯特·里斯曼說，這些發現是“新穎且具有非常高的影響力的，特別是當我們考慮到兵役或其他可能帶來高壓力的工作環境的影響時”，他沒有參與這項研究。“我認為重要的是更好地瞭解效應的特異性，以及不同型別的壓力源或壓力源強度如何調節該系統。”
作為將研究結果轉化為人類的第一步，摩根正在與賓夕法尼亞大學的精神病學家尼爾·埃珀森合作，追蹤人類精子樣本中的蛋白質和 RNA 變化。在神經科學會議上，摩根展示了一項為期六個月的針對 20 名本科生和研究生的研究資料。每個月，參與者都會來捐獻精子。他們還在同一天完成了一份調查，詢問他們的壓力程度。初步資料表明，在學生報告壓力後僅僅幾個月，他的精子就顯示出“小非編碼 RNA”的變化——RNA 分子不會翻譯成蛋白質，而是控制哪些基因被開啟或關閉。
研究人員計劃分析來自這群健康年輕男性的精子，以建立對與輕度壓力（如參加期末考試）相關的分子變化的基本瞭解。貝爾和同事希望在未來將這些基線波動與更長期的生活壓力源（如創傷後應激障礙或神經系統疾病，如自閉症和精神分裂症）引起的改變進行比較。
艾伯塔省萊斯布里奇大學研究壓力反應跨代遺傳的格林德·梅茨說，細胞外囊泡中的分子特徵也可能幫助研究人員發現非侵入性診斷或預測後代不良健康結果的新方法，她沒有參與這項研究。如果是這樣，這些囊泡可能會成為一種開創性壓力測試的基礎。